JP5567694B2 - 曲げ最適化マルチモードファイバのｄｍｄ特性の改善 - Google Patents

Description

この出願は２０１０年２月９日に出願された米国仮出願第６１／３０２，６９６号、および２０１０年２月２２日に出願された米国仮出願第６１／３０６，６０７号による優先権を主張し、それらの出願はそのすべてがここに参照として組み込まれる。またこの出願は２００９年８月１７日に出願された米国特許出願第１２／５８３，２１２号および２０１０年２月１６日に出願された米国特許出願第１２／６５８，８０４号に関連し、それらの特許出願はそのすべてがここに参照として組み込まれる。

この出願に記述され、請求される発明は非常に優れた曲げ損失特性を有するように設計されたマルチモード光ファイバに関連する。

曲げられたときに光エネルギーが漏れるという光ファイバの傾向は技術の揺籃期から知られている。光は真っ直ぐな経路に沿うが、屈折率が低い材料に取り囲まれた高い屈折率の材料の経路を備えることによって、曲がった経路であっても、ある程度まで導かれることができるということが知られている。しかし、実際にはその本質は限定的であり、しばしば光ファイバは光導波路が光を保持する能力を超える曲率で曲げられる。

曲げられたときの伝送特性を制御することはほとんどすべての光ファイバ設計における課題である。最初のアプローチであり、いまだに一般的なアプローチは光ファイバの物理的な曲げを防止、あるいは最小にすることである。これは長距離の場合は、頑丈なケーブルを設計することにより、あるいは短距離の場合は、光ファイバを細い管に入れることにより大きく達成できるが、すべての場合において光ファイバはそれぞれの端部において終端されねばならない。こうして最も好ましい条件の下でも、曲げ、しばしば厳しい曲げ、が光ファイバの終端部にもたらされる。

曲げ損失の制御は光ファイバそのものの物理的な設計によっても対処できる。したがって、曲げ損失を制御するための環状特性、あるいは溝特性、あるいはそれらの組み合わせが光ファイバの屈折率プロファイルの縁部に一般的に見られる。例えば、米国特許第４，６９１，９９０号明細書および同第４，８５２，９６８号明細書、並びに２００９年８月１７日に出願された米国特許出願第１２／５８３，２１２号明細書を参照のこと。そのすべてがここに参照として組み込まれる。

米国特許第４，６９１，９９０号明細書 米国特許第４，８５２，９６８号明細書 米国特許出願第１２／５８３，２１２号明細書（米国特許出願公開第２００９／０１５４８８８号明細書）

従来型の勾配型屈折率マルチモードファイバでは、ファイバが曲げられるとき、高次モードは低次モードよりもより大きな損失を被る。曲げ最適化マルチモードファイバ（ＢＯＭＭＦ）設計においては、高次モードの曲げ損失を最小にするために勾配型屈折率のコアの外側縁部に溝が配される。この技術においてよく知られているように、溝はクラッド領域、およびその一部、に配される屈折率が落ち込んだ環状領域を意味する。

ＢＯＭＭＦの設計に関わる問題は、溝は高次モードの曲げ損失を低減するが、その一方で、溝はまた高次モードの伝播特性を著しく変化させる。ＢＯＭＭＦの設計におけるコアと溝の間の空間に依存して、高次モードは他のモードよりも早く、あるいは遅く伝播する。したがって、より高次モードのモード分散は伝播モードの速度への溝の影響が同じでないことが原因でひどく歪められるかもしれない。このモード分散はしばしば微分モード遅延（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｌａｙ：ＤＭＤ）の測定によって特徴付けられる。溝付きのＢＯＭＭＦの設計における課題は、高次モードのＤＭＤを制御しながら、良好な曲げ損失性能を維持することである。理想としては、光ファイバは良好な曲げ損失性能と、良好なＤＭＤ性能とを同時に有する。さらに、そのようなファイバを作るプロセスは強固で、かつ制御が容易であるべきである。

曲げ損失を制御することを助けるために溝が使われる代表的な光ファイバ設計においては、溝はコアのアルファプロファイルの縁部から肩部によって間隔をあけられる。一般に肩部は屈折率が１．４５６のシリカであるが、ドープされたシリカであって、シリカよりも高い屈折率（正のデルタｎ）、あるいは低い屈折率（負のデルタｎ）を備えることもあるかもしれない。ファイバ特性を修正するために、肩部の幅は他の設計パラメータと組み合わせて使われる設計変数であることが出来る。ＤＭＤ、および曲げ損失性能を制御するために使われる更なる手段はコアの縁部を切り詰めることである。

われわれは、肩部によって溝から間隔をあけられているわずかに先端が切り取られたコア（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｃｏｒｅ）を有するＢＯＭＭＦのＤＭＤの良好な制御が得られ、さらに、肩部に棚が加えられることによって、ＤＭＤのより良好な制御が得られることも発見している。

標準的なマルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを示すプロットである。 一般的な曲げ不感性マルチモード光ファイバの屈折率プロファイルを示すプロットである。 半径０〜２５ミクロンの位置からのモード遅延を示す図１の光ファイバの微分モード遅延（ＤＭＤ）の軌跡である。 本発明の一態様により、先端が切り取られたコアを備える光ファイバの屈折率プロファイルを示す。 半径０〜２５ミクロンの位置からのモード遅延を示す図３の光ファイバの微分モード遅延（ＤＭＤ）の軌跡である。 棚を加えることにより修正された先端が切り取られたコアを備える光ファイバの屈折率プロファイルを示す。 図６の光ファイバの半径０〜２５ミクロンの位置からのＤＭＤの軌跡である。

曲げ損失はシングルモード、およびマルチモードファイバの両方に生じる。マルチモードファイバは一般にデータセンター、企業内ＬＡＮ、ＳＡＮ、その他のような短距離での通信に使われる。マルチモードファイバの有利な点は、このファイバを単純でコスト効率のよい信号源に結合できることに一部ある。過去のこれらの信号源では、主に波長が約８５０ｎｍまたは約１３００ｎｍのＬＥＤであった。過去１０年間に最近では垂直共振器を備える、低価格の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が商業的に広く行き渡るようになっている。これらのレーザはレーザダイオードと光ファイバの間の効率のよい結合を可能にし、例えば１０．３１２５Ｇｂｐｓまでの非常に高い変調率も可能である。

曲げ条件の下での光ファイバの性能問題は、通常の曲げ部分での光ファイバからの光の漏れによる光パワーの損失を含むと考えられている。通常、ファイバを曲げるときのモード構造の変化による影響は見落とされている。

シングルモード光ファイバにおいては、一般的なパワー損失は、すべての漏れは光ファイバの基底モードの光を含むので、第一に考慮されることである。しかし、マルチモード光ファイバにおいては、高次モードは低次モードよりもより多くの損失を被ることで、モード構造が曲げ損失に影響する。マルチモード光ファイバにおいては高次、および低次モードの組み合わせが帯域幅、したがって光ファイバの信号搬送容量を決定する。

高帯域幅のためには、マルチモードファイバのいろいろなモードの群速度は可能な限り等速に近くあるべきである。異なる群速度はコアを構成する物質の屈折率に勾配をつけることによって制御可能であり、そのことは屈折率の機能形態をファイバの半径の関数として規定することを意味する。従来型のマルチモードファイバにおいては、設計の目標は（１）式で規定される形状を達成することであり、

ｎ（ｒ）＝［ｎ_１ ^２−（ｎ_１ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）（ｒ／Ｒ２）^α］^１／２ （１）

ここでｒはファイバの半径、ｎ１はコア中心部の屈折率、Ｒ２はコアの半径、ｎ_ｃｌａｄはクラッドの屈折率、αは自由パラメータである。これはいわゆる理想的なα型（アルファコア）プロファイルであり、ここでαは通常１．７から２．２の値を有する。従来型の光ファイバプロファイルにおいては、アルファコアは指数曲線が、一般的なＭＭＦ設計においてデルタがゼロ（純シリカの屈折率）であるｎ_ｃｌａｄと交差する点まで半径方向外側に伸びるが、必ずしも必須ではない。

アルファコアプロファイル設計の固有の制限は、高次モードは、コア−クラッドの境界における屈折率の急激な変化、およびコアの縁部でのクラッドモードへの結合のために適切に補償されないということである。したがって、高次モードのモード遅延は低次、および中次モードからずれる。従来型のＭＭＦにおいては、プロファイルの整調がモード間のモード遅延の差の大半、あるいはすべてを緩和することが出来る。

しかし、曲げ不感性ＭＭＦの場合、溝と高次モードとの相互作用がすべてのモード遅延の均一化をより難しくする。したがって、高次モードのモード遅延を等しくする改良された方法が高速度デジタル伝送に使われる曲げ不感性ＭＭＦ（ＢＩＭＭＦ）のために必要である。技術の現在の状況においては、光データシステムのための高速度伝送は一般に１０Ｇ／ｓ、あるいはそれ以上と考えられる。

曲げ損失特性の改善は屈折率プロファイルに溝を加えることにより達成される。溝はダウン・ドーピングされた領域、通常フッ素がドープされた領域であって、純シリカよりも低い屈折率（負のデルタｎ）を備える。図２は、曲げ損失を低減するために外側のクラッド１４に加えられた溝１３を備えてＲ２まで延びるアルファコア１１を備えるＭＭＦの屈折率プロファイルを示す。溝とアルファコアとの間に肩部１２がある。参照のために、図１は標準的な溝のない従来型ＭＭＦの一般的な屈折率プロファイルを示す。

高次モードと肩部、および溝との相互作用は、ファイバのプロファイルを整調し、すべてのモード遅延を等しくすることをなおのこと難しくする。微分モード遅延の低減と曲げ損失特性の改善の組み合わせを達成するためには、溝を適切に配することが重要であると認識されている。図２の設計において肩部１２の幅が光ファイバの曲げ損失だけでなく、モード伝播特性に影響するということが知られている。

しかし、他の考慮する点、例えば狭い肩部を作り出すための代わりの製造技術、完璧なＤＭＤを達成するために肩部の幅を正確に制御するためのプロセスの可能性、肩部を狭く設計された光ファイバと異なる製造技術によって作られた光ファイバとの適合性、および狭い肩部の設計の光ファイバに接合される他の光ファイバとの適合性のために、一般的に使われている以上に肩部の幅を広げることが望ましい。われわれは、例えば、４ミクロンを越えて極端に延ばされると、高次モードは低次モードよりも早く伝播し、したがって光ファイバの帯域幅性能を損なうことを見出している。

この効果が図３に示され、それは以前の一般的な設計において使われる幅よりもより大きい、肩部の幅が８．５ミクロンである光ファイバのＤＭＤプロットである。プロットは走査半径０−２５μｍにおける一時的なモード位置を有し、図２の半径１９−２５μｍにおいて示されるように、如何にして高次モードが他のモードより早く伝播し、モード分散、および帯域幅の低減に至るかを示す。本発明により、ここに述べられるＤＭＤ障害に対する解決方法は図２に示されるアルファコアに切り取られた縁部を加えることを含む。この修正された設計に対する屈折率プロファイルが図４に示され、特性３２、３３、および３４、つまり肩部、溝、および外側のクラッドは図２に示される部分に類似している。コアは、Ｒ１より大きな半径位置のコア領域を切り取ることにより修正され、コアと内側クラッドの縁部との間に屈折率の肩部差３５をもたらす。

先端が切り取られたコアを規定するために使われるパラメータが図４に与えられる。Ｒ１は物理的なコア半径、つまり、コアが切り取られる（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ）点である。屈折率デルタｎは純シリカの屈折率からの屈折率の差である。この参照点は慣習的なものであり、便利なものであるが、別物の参照屈折率値である可能性があるということが理解されるであろう。屈折率デルタｎ_１は半径ゼロにおけるコアの屈折率デルタであって、一般にコアの最大屈折率デルタである。図示される例におけるクラッドの屈折率デルタｎ_ｃｌａｄは一般にゼロである、つまりクラッドは純シリカである。しかし、それはなにか適当な正、あるいは負の値であり得る。屈折率デルタｎ_ｓは、コア領域が終わり、デルタｎ_ｓ＝ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄであるようにクラッド領域が始まる屈折率であり、この例ではデルタｎ_ｓは屈折率の観点で肩部差の高さを規定する。

本発明を説明する目的で、コアは基本的にアルファコア領域３１、および肩部差３５で構成されている、あるいは成り立っていると考えられる。このことは光ファイバのコアを、正にドープされる、例えば、ゲルマニウムがドープされる光ファイバの中心部分として定義する標準的な慣習にしたがう。アルファコア領域は、屈折率がｎ_１である光ファイバの中心から、屈折率がｎｓであり、デルタ屈折率がデルタｎ_ｓからゼロに段になって落ちるＲ１においてコアの外側縁部に延びる。肩部差は高さｎ_ｓ、かつ名目上幅がゼロであると定義されてよい。本発明の実施例により、デルタｎ_ｓの絶対値は約０．００１から約０．００６の範囲にあると期待されてよい。屈折率の絶対値はひとつの屈折率プロファイルから他のものに大幅に変わるかもしれないので、肩部差を比（ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄ）／（ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄ）の観点で定義することが好都合であるかもしれない。（ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄ）／（ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄ）の推奨される比の値は約０．０２から約０．３の範囲内になるであろう。

図４のプロファイルに類似する光ファイバ屈折率が２０１０年２月１６日に出願された米国特許出願第１２／６５８，８０４号明細書および２０１０年２月２２日に出願された米国特許仮出願第６１／３０６，６０７号に記載され、再びそのすべてが参照のためそれぞれここに引用される。

図４の設計に対して、屈折率プロファイルは一般に以下のように表される。

この表現において、ｎ_１はｒ＝０における屈折率、ｎ_ｃｌａｄはクラッドの屈折率、かつαは指数法則プロファイルパラメータである。Ｒ２はｎ（Ｒ２）＝ｎ_ｃｌａｄである半径位置である。それはコアが切り取られる前の理論的なファイバコアのサイズである。

上記の式におけるＲ１は以下によって決定される。

Ｒ１＝Ｒ２＊［（ｎ_１ ^２−ｎ_ｓ ^２）／（ｎ_１ ^２−ｎ_ｃｌａｄ ^２）］^１／α

ここでｎ_ｓはコアとクラッドとの間の肩部差（図４の３５）におけるコアの最大屈折率である。

これらの設計において、必須ではないが、屈折率差ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄの値が０．０２より小さいことが望ましい。ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄの好ましい範囲は０．０１４から０．０２である。

これらの設計において、必須ではないが、Ｒ１の値が約２２から約３４ミクロンの範囲であることが望ましい。

光ファイバのＤＭＤに対するコア縁部の肩部差の効果が図５に示される。図５のＤＭＤは本質的に図３のそれ以上に改善されている。しかし、半径方向の位置２１μｍと２５μｍとの間の歪んだ複数のパルスによって証明されるように、高次モードは依然としてモード分散を示す。図４に示されるように、小さなＤＭＤの歪は勾配型屈折率領域の屈折率プロファイルを調節することによって均一にすることが出来る。

われわれは、先端が切り取られたコア設計の光ファイバの場合、図４に示されるように、高次モードが低次モードよりもゆっくり伝播するとき、ＤＭＤはコア縁部の肩部差に棚を加えることによりさらに改善されるということを見出している。このことが図６に示される。屈折率プロファイルのアルファ部分がやはり３１と指定され、半径Ｒ１は図４と同じである。しかし、先端が切り取られたコア縁部を形成する肩部差、図４の３５、は距離Ｒ３−Ｒ１だけコア中心から移され、棚５１を形成する。さらに、棚領域の屈折率は常に勾配型屈折率領域の端部の屈折率よりも小さい、あるいは等しい。図６において、棚、および勾配型屈折率領域の端部の屈折率が等しいということが注目されるべきである。距離Ｒ３−Ｒ１は好ましくは約０．１から約３ミクロンの範囲である。内側のクラッドの幅３２は好ましくは０．５ミクロンよりも大きく、好ましくは０．５から１２ミクロンの範囲である。

図６の光ファイバのＤＭＤに対する棚の効果が図７に示され、勾配型コアの端部における屈折率デルタ（ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄ）は０．００１７である。この例において、棚の幅は０．３ミクロンであるように選択され、かつ棚の屈折率は勾配型屈折率領域の端部における屈折率に等しい。図７のＤＭＤは図５のＤＭＤ以上に十分に改善され、半径位置０−２５μｍのすべてのモード（−１μｍに位置する曲線は参照用パルス）が均一になったＤＭＤを備える。

溝のパラメータは従来と同様である。一般に、溝は少なくとも２ミクロンの幅と、少なくとも０．００２の深さ（負の屈折率デルタ）を備える。通常、外側のクラッドは図示されるように屈折率がゼロ（純シリカ）であるが、他の値であってもよく、また、他の特性、例えば環状特性を備えてもよい。

上に述べられた光ファイバ設計は、光源として垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を備えるシステムで有利に使われる。ＶＣＳＥＬ光源に結合される本発明の光ファイバは非常に優れたシステム性能を表す。

まとめとして、本発明の光ファイバは図６に示されるように、光ファイバの中心から延びる一連の同心の領域を有すると定義されてよい。示される屈折率プロファイルの観点で、これらは、
アルファコア領域 − 上に規定されるように、屈折率デルタｎ_１を備える光ファイバの中心から半径方向に距離Ｒ１まで延びる本質的にアルファプロファイルを備える領域である。
棚 − 屈折率デルタがｎ_ｓであって、Ｒ１から半径Ｒ３まで半径方向外側に延びる領域である。Ｒ３−Ｒ１は好ましくは０．１から３ミクロンの範囲であり、かつ好ましくはデルタｎ_ｓは約０．００１から０．００６の範囲内である。
内側クラッド − ０．５ミクロンよりも大きい、好ましくは０．５から１２ミクロンの距離で屈折率デルタがｎ_ｃｌａｄであるＲ３から半径方向に延びる領域である。
溝 − 通常、−０．００２よりも小さい屈折率デルタ（ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌａｄ）、、および２ミクロンよりも大きい溝幅を備え、内側クラッドと外側クラッドとの間に延びる領域である。
外側クラッド − 溝領域から半径方向外側に延びる領域である。

詳細な記述を終了するにあたり、本発明の理論から本質的に乖離することなく、好ましい実施例に多くの変形、および修正がなされてもよいことが当業者には明らかであろうということが留意されるべきである。すべてのそのような変形、修正、および同等のものは、以下の請求の範囲に記載の本発明の適用範囲内であるとしてここに含まれると意図されている。

１１ アルファコア
１２、３２ 肩部
１３、３３ 溝
１４、３４ 外側クラッド
３５ 肩部差
５１ 棚

Claims (12)

1. 中心部と、前記中心部から半径方向外側に延びる以下の一連の同心領域を含むマルチモード光ファイバであって、前記一連の同心領域が、
   前記光ファイバの前記中心部から半径方向に距離Ｒ１まで延びる本質的にアルファプロファイルを有するアルファコア領域であって、コア中心部の屈折率がｎ_１である、前記アルファコア領域と、
   屈折率差ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄにより規定される、前記Ｒ１における屈折率の肩部差であって、ｎ_ｓが前記Ｒ１における屈折率であり、ｎ_ｃｌａｄが前記Ｒ１から０．５ミクロンより大きな距離まで半径方向外側に延びる内側クラッド領域の屈折率である、前記屈折率の肩部差と、
   前記内側クラッドから半径方向に延びる溝領域と、
   前記溝領域から半径方向外側に延びる外側クラッド領域とである、マルチモード光ファイバ。
2. （ｎ_ｓ −ｎ _ｃｌａｄ ）の絶対値が約０．００１から約０．００３の範囲である、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
3. （ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄ）の値が約０．００５から約０．０３の範囲である、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
4. （ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄ）が約０．０１４から約０．０２の範囲である、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
5. 比（ｎ_ｓ−ｎ_ｃｌａｄ）／（ｎ_１−ｎ_ｃｌａｄ）が約０．０２から約０．２の範囲である、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
6. 前記Ｒ１が約１２から約３４ミクロンの範囲である、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
7. ｎ _{ｑｕａｒｔｚ} が純シリカの屈折率である場合に、（ｎ_ｃｌａｄ−ｎ_{ｑｕａｒｔｚ}）がおおよそ０である、請求項２に記載のマルチモード光ファイバ。
8. 前記内側クラッド領域が前記Ｒ１から約０．５ミクロンから約１２ミクロンの範囲の距離まで半径方向外側に延びる、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
9. 前記溝が−０．００２より小さい屈折率デルタ（ｎ_{ｔｒｅｎｃｈ}−ｎ_ｃｌａｄ）と２ミクロンより大きい幅を備える、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
10. 高次モードのモード遅延が低次主モードのモード遅延に等しくなるように前記同心の領域が構成される、請求項１に記載のマルチモード光ファイバ。
11. 垂直共振器面発光レーザに結合される請求項１に記載の光ファイバを備える光ファイバサブシステム。
12. ａ）レーザトランスミッタと、
    ｂ）光レシーバと、
    ｃ）前記トランスミッタと前記レシーバとの間に結合される請求項１に記載のマルチモード光ファイバとを備える、光システム。

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